Хроматографический анализ растворенных газов в диагностике трансформаторов (стр. 2 )

Шестым изданием РД «Объем и нормы испытаний электрооборудования» [4], вышедшим в 1998 г., метод ХАРГ был рекомендован в качестве обязательного при диагностике силовых трансформаторов напряжением 110 кВ, а также блочных трансформаторов собственных нужд. Однако в РФ данный метод приобретает все большее распространение – он начинает использоваться при оценке состояния трансформаторов класса напряжения 35 кВ, измерительных трансформаторов и др. маслонаполненных объектов.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ

ПРОЦЕССЫ ГАЗООБРАЗОВАНИЯ

В масле нормально работающего трансформатора растворены те газы, которые выделяются из целлюлозной изоляции и масла при их естественном старении.

Экспериментально установлено, что в масле работающего бездефектного, с определенным сроком службы трансформатора растворены в небольших количествах двуокись и окись углерода, иногда метан, а также кислород и азот. Количество двух последних газов зависит от системы защиты масла в расширителе трансформатора (с помощью воздухоосушителя или азотной подушки). У трансформаторов с пленочной защитой масла в расширителе количество растворенного воздуха в масле будет определяться качеством пленки и ее газопроницаемостью.

При повышенном нагреве и разрядных процессах возникающих в дефектных трансформаторах активизируются процессы сопровождающиеся выделением газов.

2.1. Разложение масла

В качестве охлаждающих диэлектрических жидкостей в трансформаторах применяют:

-  минеральные масла;

-  синтетические эфиры;

-  кремнийорганические жидкости;

-  органические простые эфиры.

Синтетические эфиры

Синтетические трансформаторные масла на основе сложного эфира, например MIDEL 7131, разработаны фирмой Micanite&Insulators (Великобритания). Термическое разложение таких масел протекает с выделением углекислого газа (СО2).

Кремнийорганические жидкости

Кремнийорганические или силиконовые трансформаторные жидкости основаны на молекулярных связях типа Si-O, которые характерны для неорганических материалов, таких как кварц. Эти молекулярные связи намного прочнее, чем углеводородные, особенно при воздействии высоких температур. В качестве примера можно привести синтетическое масло XIAMETER PMX‑561 TRANSFORMER LIQUID, разработанное фирмой DowCorning (США). Тепловое разложение силиконовой жидкости начинается при температуре свыше 230 °C, когда длинные полимерные цепочки начинают медленно распадаться с образованием более летучего циклического силиконового материала.

Кремнийорганические жидкости в течение нескольких десятилетий были оптимальным решением в случаях, когда требовалась диэлектрическая жидкость «пониженной горючести». Такой материал обладает более высокой температурой воспламенения и прекращает гореть после удаления внешнего источника зажигания. Силикон не подлежит смешиванию с минеральными маслами и несовместим с целлюлозной изоляцией и другими изоляционными материалами. Все это накладывает ограничения на широкое применение кремнийорганических жидкостей в масляных трансформаторах.

Органические простые эфиры

Органические простые эфиры – это растительные масла. Например, масло FR3, производства компании Cooper, на 100% изготавливается из масел растительного происхождения, которые вырабатываются из сои. В компании CEMIG (Бразилия) проходят испытания трансформаторы со специальным растительным трансформаторным маслом BIOTEMP [35].

Несмотря на то, что приведенные выше виды охлаждающих жидкостей применяются в трансформаторах уже несколько десятков лет и число выпущенных с ними трансформаторов достигло не менее 100 тысяч, достаточной информации для диагностики развивающихся в этих трансформаторах дефектов пока не имеется.

Минеральные масла

В России в трансформаторах используются минеральные трансформаторные масла, получаемые путём переработки нефти. Они состоят из смеси различных углеводородных молекул содержащих СН3, СН2 и СН группы, соединенные между собой углерод-углеродными молекулярными связями.

Углеводородные компоненты можно разделить на три основные структурные группы: парафиновые, нафтеновые и ароматические [36]:

а) нормальные парафины

H3C – (CH2)n – СН3

б) разветвленные парафины

в) мононоциклические нафтены

г) бициклические нафтены

д) ароматические углеводороды с одним ароматическим ядром

е) ароматические углеводороды с конденсированным ядром

ж) ароматические углеводороды с изолированным ядром

з) смешанные нафтено-ароматические углеводороды

Расщепление некоторых из С-Н и С-С связей может возникать в результате электрических или термических дефектов с образованием небольших нестабильных фрагментов, в радикальной или ионной форме, таких как Н•, СН3•, СН2•, СН• или С• (среди многих других более сложных форм), которые быстро рекомбинируют через сложные реакции в газовые молекулы такие, как водород (Н-Н), метан (СН3-Н), этан (СН3-СН3), этилен (СН2=СН2) или ацетилен (СН≡СН) [30]. Кроме этого образуются газы, имеющие в составе молекулы три или четыре атома углерода.

В таблице 2.1 приведены газы, образующиеся в масле, их молекулярные и структурные формулы.

Таблица 2.1. Углеводороды, образующиеся в трансформаторном масле

Число атомов угле­рода	Алканы (CnH2n+2) одинарная связь	Алкены (CnH2n) двойная связь	Алкины (СnH2n-2) тройная связь
1	Метан CH4 H | H–C–H | H
2	Этан C2H6 СН3–СН3 H H | | H – C – C – H | | H H	Этен (этилен) C2H4 СН2=СН2 H H | | C = C | | H H	Этин (ацетилен) C2H2 HC≡CH H–C≡C–H
3	Пропан C3H8 СН3–СН2–СН3 H H H | | | H – C – C – C – H | | | H H H	Пропен (пропилен) C3H6 СН2=СН–СН3 H H | | C = C – C – H | | | H H H	Пропин (метилацетилен) C3H4 CH3–C≡CH H |   H – C – C ≡ C – H |   H
4	Бутан С4Н10 СН3–СН2–СН2–СН3 H H H H | | | | H–C–C–C–C–H | | | | H H H H	Бутен-1 (бутилен-1) C4H8 СН2=СН–СН2–СН3 H H H | | | C=C–C–C–H | | | | H H H H	Бутин C4H6 CH3–С≡С–СН3 HC≡С–СH2–СН3 H H | | H–C–C≡C–C–H | | H H

При возникновении повреждения внутри трансформатора состав газа, растворенного в масле, будет изменяться весьма интенсивно как качественно, так и количественно. Образовавшиеся газы растворяются в масле или накапливаются, как свободные газы.

Низкоэнергетические повреждения, такие как частичные разряды, способствуют разрыву самых слабых С-Н связей (338 кДж/моль), посредством реакций ионизации, и накоплению водорода как основного рекомбинационного газа. Гораздо больше энергии и (или) более высокие температуры необходимы для разрыва С-С связей и их рекомбинации в газы с одиночной С-С связью (607 кДж/моль), двойной С=С связью (720 кДж/моль) или тройной С≡С связью (960 кДж/моль).

Таким образом, для начала образования:

-  водорода и метана требуется температура порядка 150 ºС (рис. 2.1),

-  этана – требуется температура около 250 ºС,

-  этилена – требуется температура 350 ºС,

-  ацетилена – порядка 500–700 ºС.

Рис. 2.1. Выделение газов при развитии дефекта в масляном трансформаторе

При температурах 500–700 ºС ацетилен образуется в очень небольших количествах. Для активного выделения этого газа требуются температуры более 800 ºС и последующее быстрое охлаждение до более низких температур. Поэтому ацетилен образуется в значительных количествах при возникновении дуги в масле, когда ионизированный проводящий канал имеет температуру в несколько тысяч градусов, а граница с окружающим жидким маслом, как правило, ниже 400 ºС со слоем заполненным газами от испарения и разложения масла.

Масло может окисляться под действием кислорода с образованием небольших количеств СО и СО2, которые могут накапливаться в течение длительных периодов времени в значительных количествах.

2.2. Разложение целлюлозной изоляции

Как показали опыты на моделях, основное газовыделение происходит из электротехнического картона, бумаги и древесины в результате воздействия повышенной температуры, кислорода и влаги.

Полимерные цепочки твердой целлюлозной изоляции содержат большое число ангидроглюкозных колец и слабых молекулярных С-О связей и гликозидных связей, которые термически менее стабильны, чем углеводородные связи в масле, и которые разрушаются при более низких температурах.